KR100636787B1 - 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치 - Google Patents

노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치 Download PDF

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Abstract

노즐(nozzle)부를 포함하는 전자기유도 가속장치가 개시된다. 본 발명에 따르면, 플라즈마(plasma)의 생성을 위한 초기방전부, 플라즈마의 가속을 위한 가속부 및 노즐(nozzle)부를 포함하며, 플라즈마 생성 주파수와 플라즈마 가속 주파수를 합성한 합성파를 전류로 전자기유도 가속장치에 인가한다. 이에 따라 전자기유도 가속장치의 플라즈마의 생성 및 가속과 플라즈마 흐름의 균일성을 확보하고, 용이하게 플라즈마 생성 및 가속효율을 극대화할 수 있다.
플라즈마, 가속기, 전자기유도 가속기, 코일, 반도체 공정, 식각

Description

노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치{Electro-magnatic accelerator with nozzle part}
도 1은 종래의 전자기유도 가속기를 보인 절단 사시도,
도 2는 도 1의 전자기유도 가속기의 채널 내부의 자기장의 분포를 도시한 그래프,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치를 도시한 절단 사시도,
도 4a는 구동 주파수에 따른 플라즈마의 가속효율을 도시한 그래프,
도 4b는 구동 주파수에 따른 플라즈마의 생성효율을 도시한 그래프,
도 4c는 구동 주파수에 따른 전자기유도 가속장치의 효율을 도시한 그래프,
도 4d는 구동 주파수에 따른 구동 전류의 크기를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치를 간략히 도시한 단면도,
도 6은 초기 이온의 z축 방향 에너지(Wi0)가 40eV이고, 가속기의 코일 간의 거리(d)가 1.5cm 인 조건하에서, 이온의 속도가 최대인 주파수를 찾는 시뮬레이션 결과를 3차원으로 나타낸 모식도,
도 7a는 코일 수에 따른 최적 주파수를 나타낸 그래프,
도 7b은 코일 순서에 따른 이온 속도를 나타낸 그래프, 그리고
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기유도 가속장치에 인가되는 전류의 파형도이다.
본 발명은 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마(plasma)의 생성을 위한 초기방전부, 플라즈마의 가속을 위한 가속부 및 노즐(nozzle)부를 구비하며, 플라즈마 생성 주파수와 플라즈마 가속 주파수를 합성한 합성파를 전류로 인가하여 용이하게 플라즈마 생성 및 가속효율을 극대화할 수 있는 전자기유도 가속장치에 관한 것이다.
전자기유도 가속기(Electro-magnatic accelerator)란, 전기적 에너지와 자기 에너지를 이용하여 일정 공간에 생성되거나 존재하는 플라즈마의 흐름을 가속시키는 장치로서, 플라즈마 가속기라고도 한다.
플라즈마 가속기는 우주 장거리 여행용 로켓엔진으로 개발되어 오다가, 반도체 제조공정상의 웨이퍼(wafer)의 식각(etching)에 사용하게 되었다.
플라즈마란, 고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체상태로서 전하분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠는 기체를 말하는 것으로, 엄밀하게는 고체 ·액체 ·기체(물질의 세 상태)에 이어 제4의 물질상태라 한다.
온도를 차차 높여가면 거의 모든 물체가 고체로부터 액체 그리고 기체 상태로 변화한다. 수만 ℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라스마 상태가 된다.
도 1은 종래의 전자기유도 가속기를 보인 절단 사시도이다.
도 1에 도시된 전자기유도 가속기는 위상정합방법(Phase Matching Method)에 의한 것으로, 마그네틱 웨이브가 이동하기 때문에 'Traveling Wave Plasma Engine'이라고 불린다. 참고문헌으로 L.Heflinger, "Transverse Traveling Wave Plasma Engine" AIAA vol3, p1029, 1965 가 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 전자기유도 가속기는 외부 및 내부코일(10,20), 방전코일(30)이 외부 실린더(cylinder)(40)와 내부 실린더(50)로 형성된 채널(70)을 감고 있다.
외부 및 내부코일(10,20)은 동축으로 나란히 배열되어 있으며, 각각 3개의 코일로 이루어져 각각이 채널(70)을 감고 있다. 외부코일(10)은 채널의 상부에서부터 각각 제1코일, 제2코일 그리고 제3코일(1,2,3)로 번호를 부여한다.
각 코일에는 채널(70)을 감싸는 방사상방향으로 전류를 인가한다. 외부 및 내부코일(10,20)에는 동일한 시계방향 또는 반시계방향으로 전류를 인가하여 채널(70)의 내부에 유도되는 자기장을 축방향으로 감소시키고 채널(70)의 내부를 가로지르는 방향으로 강화한다.
방전코일(30), 외부 및 내부코일(10,20)에 의해 채널내에 생성된 자기장은 맥스웰 방정식에 따라 2차 전류를 유도하며, 이러한 2차 전류는 채널(70)내부의 기체를 플라즈마 상태로 변환시킨다.
종래의 전자기유도 가속기의 플라즈마 가속방법은, 채널의 상부에서 출구방향(화살표로 표시)으로 감긴 모든 코일에 전류를 동시에 인가하는 것이 아니라, 순차적으로 인가한다. 즉 제1코일(1)에 전류를 흐르게 하는 경우에는 제2 및 제3코일(2,3)에 전류를 인가하지 아니하며, 제2코일(2)에 전류를 흐르게 하는 경우에는 제1및 제3코일(1,3)에 전류를 인가하지 아니한다. 이에 의하여 다음의 도 2와 같은 자기장의 기울기가 채널내부에 순차적으로 형성되도록 각 코일에 투입되는 전류의 위상을 조정하여 플라즈마가 각 자기장에 의해 가속되도록 하는 것이다.
도 2는 도 1의 전자기유도 가속기의 채널 내부의 자기장의 크기를 도시한 그래프이다.
도 2의 그래프에서 가로축은 채널(70)의 상부에서 출구쪽으로 축방향 거리를 표시하며, 세로축은 채널을 가로질러 순차적으로 형성된 자기장의 크기를 나타낸다.
원으로 표시된 것은 채널(70)내부에 형성되는 2차전류로서, 채널 내부에 발생된 자기장에 의하여 2차전류 및 플라즈마가 가속되는 것을 설명하기 위하여 표시한 것이다.
그래프를 관찰하면, 도 1의 제1코일(1)에 의한 자기장(a)이 채널상부에 가장 먼저 발생하고, 그리고 제2 및 제3코일(2,3)에 의한 자기장(b,c)이 순차적으로 발생하면서 채널(70)내부의 2차전류(d)를 출구쪽으로 가속시키는 것을 알 수 있다. 이에 의하여 플라즈마를 출구쪽으로 가속시킨다.
종래의 위상정합방법에 의한 전자기유도 가속기는 모든 코일에 한 개 주파수의 전류를 사용하여 구동하므로, 플라즈마의 생성과 플라즈마의 가속에 있어 최대의 효율을 얻는 것이 어려웠다. 그것은, 플라즈마의 생성과 가속 각각에 적절한 주파수를 사용하지 않은 때문임을 알게 되었다.
채널상부에서의 플라즈마의 초기속도가 작으면, 위상 차이가 너무 커서 위상정합을 이용하기가 어렵게 된다. 또한, 초기속도를 위하여 구동전류의 주파수를 작게 하는 경우 방전코일(30)에서 플라즈마로 에너지 전달이 잘 안되고, 플라즈마의 생성효율이 떨어지게 된다. 즉, 플라즈마 생성에 있어서는 큰 주파수가 필요하고, 플라즈마 가속에 있어서는 작은 주파수가 필요하다. 따라서 플라즈마의 생성과 가속효율을 모두 고려한 전자기유도 가속기가 필요성이 대두된다.
따라서 본 발명의 목적은, 플라즈마(plasma)의 생성을 위한 초기방전부, 플라즈마의 가속을 위한 가속부 및 노즐(nozzle)부를 포함하여 전자기유도 가속장치의 플라즈마의 생성 및 가속과 플라즈마 흐름의 균일성을 확보하는, 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치를 제공하며, 플라즈마 생성 주파수와 플라즈마 가속 주파수를 합성한 합성파를 전류로 인가하여 용이하게 플라즈마 생성 및 가속효율을 극대화할 수 있는 전자기유도 가속장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전자기유도 가속장치는, 동축상 에 서로 다른 직경을 가지는 외부 및 내부실린더(cylinder), 상기 외부 및 내부실린더 사이에 형성되는 채널에 상기 축방향과 교차하는 방향의 자기장을 생성함으로써, 상기 채널상에 플라즈마를 형성하는 초기방전부, 상기 외부 및 내부실린더상에 형성되어, 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속시키는 가속부 및 상기 축방향으로 자기장을 형성함으로써 상기 가속부로부터의 플라즈마를 압축하였다가 균일하게 방출시키는 노즐(nozzle)부를 포함한다.
상기 초기방전부는, 상기 외부 및 내부실린더의 상기 플라즈마가 가속되는 반대측에 연결되어, 상기 채널의 일측을 폐쇄하는 접속부, 상기 접속부의 상측면을 따라 직경이 감소되도록 감겨있는 방전코일 및 상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 나란하게 감아 상기 자기장을 형성하는 적어도 하나의 제 1외부 및 내부코일을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 가속부는, 상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 나란하게 감아 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속하는 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일을 더 포함한다.
상기 가속부는, 상기 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일 각각에 구동 주파수를 순차적으로 인가하여 상기 채널에 상기 축방향과 교차하는 방향의 제 2자기장의 기울기를 순차적으로 형성함으로써 상기 플라즈마를 가속시키는 것이 바람직하다.
나아가 상기 적어도 하나의 제 1외부 및 내부코일의 구동 주파수인 제1구동 주파수는, 상기 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일의 구동 주파수인 제2구동 주 파수와 다른 것이 바람직하다.
또한 상기 제1구동 주파수는, 상기 제2구동 주파수보다 높을 수 있으며, 상기 제1구동 주파수는, 상기 제1구동 주파수에 따른 상기 플라즈마의 생성효율 및 가속효율의 곱이 최대인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제1구동 주파수는, 0.5 ㎒ 내지 5 ㎒사이의값으로 선택될 수 있다.
상기 제1구동 주파수는, 상기 제1구동 주파수에 따른 상기 플라즈마의 생성효율 및 가속효율을 곱한 다음 상기 제1구동 주파수에 따른 구동전류의 크기를 나눈 값이 최대인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제1구동 주파수가 2㎒인 것이 바람직하다.
또한 상기 노즐부는, 상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 상기 제 2외부 및 내부코일과 나란하게 형성되어 상기 축방향의 자기장을 형성하는 적어도 하나의 제 3외부 및 내부코일을 더 포함한다.
그리고 상기 제 3외부 및 내부코일은 서로 반대방향으로 흐르는 전류에 의해 구동되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 전자기유도 가속장치를 사용한 중성 빔(beam) 건식 에칭(etching)장치는 건식으로 반도체 칩 제작용 웨이퍼(wafer)를 식각할 수 있다.
본 발명에 따른 전자기유도 가속장치는, 동축상에 서로 다른 직경을 가지는 외부 및 내부실린더(cylinder), 상기 외부 및 내부실린더 사이에 형성되는 채널에 상기 축방향과 교차하는 방향의 자기장을 생성함으로써, 상기 채널상에 플라즈마를 형성하는 초기방전부, 및 상기 외부 및 내부실린더상에 형성되어, 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속시키는 가속부를 포함하며, 상기 초기방전부에 인가하는 전류의 주파수와 상기 가속부에 인가하는 전류의 주파수를 합성한 합성파를 상기 초기방전부 및 가속부에 각각 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 전자기유도 가속장치는, 상기 축방향으로 자기장을 형성함으로써 상기 가속부로부터의 플라즈마를 압축하였다가 균일하게 방출시키는 노즐(nozzle)부를 더 포함한다.
상기 가속부에 인가하는 전류의 주파수는 아래 수학식을 만족하는 것이 바람직하며,
Figure 112005032294177-pat00001
여기서, f는 가속부에 인가하는 전류의 주파수, Vz는 플라즈마의 이온 속도, N은 코일의 수, d는 코일 간의 간격이다.
상기 초기방전부에 인가하는 전류의 주파수는 0.5 ㎒ 내지 5 ㎒사이의 값으로 선택되는 것이 바람직하다.
상기 초기방전부에 인가하는 전류의 주파수는 2 MHz 인 것이 바람직하다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치를 도시한 절단 사시도이다.
본 발명의 전자기유도 가속장치(Electro-magnatic accelerator)(300)는 플라즈마(plasma)를 가속시키는 장치로서, 바람직하게는 반도체 제조공정의 웨이퍼(wafer)의 중성 빔(beam) 건식 에칭(dry etching)장치에 포함될 수 있다.
전자기유도 가속장치(300)는, 플라즈마의 생성, 플라즈마의 가속 그리고 플라즈마 흐름의 균일성을 위하여 기능적으로 세 부분으로 구분되고, 서로 다른 주파수에 의하여 동작하도록 제어된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전자기유도 가속장치(300)는, 외부실린더(cylinder)(371), 내부실린더(373) 및 접속부(375)와 초기방전부(310), 가속부(330) 및 노즐(nozzle)부(350)를 포함하며, 각각 다른 주파수의 전원에 의해 동작하며, 다른 기능을 수행한다.
초기방전부(310), 가속부(330) 및 노즐부(350)의 적절한 설명을 위하여 먼저, 본 발명의 전자기유도 가속장치(300) 전체의 구조를 설명한다.
초기방전부(310), 가속부(330) 및 노즐부(350)는 제 1 내지 제 3외부코일(311,331,351), 제 1 내지 제 3내부코일(313,333,353) 및 방전코일(315)를 포함한다.
외부실린더(371)와 내부실린더(373)는 동일한 중심축을 가지는 원기둥 형상의 면을 따라 나란히 형성된 것으로, 접속부(375)에 의해 연결되어 채널(390)을 형성하며, 당연하게 내부실린더(373)의 지름은 외부실린더(371)의 지름보다 작게 형성된다. 바람직하게는, 상기 외부실린더(371), 내부실린더(373) 및 접속부(375)는 유전체로 이루어져있다.
채널(390)은 플라즈마가 생성되고 이동하는 공간으로서 축방향으로 형성되며, 화살표로 표시된 것처럼 채널(390)의 상부에서 채널(390)의 하부(이하에서는 '출구'라고 함)로 플라즈마가 가속된다. 따라서 채널(390)의 출구는 웨이퍼(미도시)를 향하는 것이 바람직하다.
제 1 내지 제 3외부코일(311,331,351)은 각각 적어도 하나의 코일을 포함하며, 중심축을 중심으로 외부실린더(371)보다 큰 직경을 가지고 중심축에 가로질러 직교하는 서로 다른 평면상의 가상의 원주들을 따라 외부실린더(371)의 외측면을 감고 있다. 초기방전부(310)에 나란하게 감겨있는 적어도 하나의 코일을 제 1외부코일(311)이라 하고, 가속부(330)에 나란하게 감겨있는 적어도 하나의 코일을 제 2외부코일(331)이라하며, 노즐부(350)에 나란하게 감겨있는 적어도 하나의 코일을 제 3외부코일(351)이라 한다.
제 1 내지 제 3내부코일(313,333,353)은 각각 적어도 하나의 코일을 포함하며, 중심축을 중심으로 내부실린더(373)보다 작은 직경을 가지고 중심축에 가로질러 직교하는 서로 다른 평면상의 가상의 원주들을 따라 내부실린더(373)의 내측면을 감고 있다. 초기방전부(310)에 나란하게 감겨있는 적어도 하나의 코일을 제 1내부코일(313)이라 하고, 가속부(330)에 나란하게 감겨있는 적어도 하나의 코일을 제 2내부코일(333)이라하며, 노즐부(350)에 나란하게 감겨있는 적어도 하나의 코일을 제 3내부코일(353)이라 한다.
방전코일(315)은 적어도 하나의 코일을 포함하며, 중심축을 중심으로 내부실린더(373)보다 크고 외부실린더(371)보다 작은 직경을 가지는 중심축에 가로질러 직교하는 동일 평면상의 적어도 하나의 가상의 원주를 따라 접속부(375)의 상측면을 감고 있다. 방전코일(315)의 각 코일은 서로 다른 직경을 가진다. 방전코일(315)은 각각 동심원으로 구비될 수 있고, 각각의 동심원을 유지 하면서 하나의 코일로 연결할 수 있다. 방전코일(315)은 초기방전부(310)에 포함된다.
제 1 내지 제 3외부코일(311,331,351), 제 1 내지 제 3내부코일(313,333,353) 및 방전코일(315)은 각 1회전마다 별도의 구동전원에 의해 다른 주파수를 가지는 전류가 인가되는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기에서 설명한 전자기유도 가속장치(300) 전체 구조를 기초로, 초기방전부(310), 가속부(330) 및 노즐부(350)를 설명한다.
초기방전부(310), 가속부(330) 및 노즐부(350)는 외부실린더(371)와 내부실린더(373)를 공유하며, 채널(390)을 나누어 사용한다.
초기방전부(310)는 방전코일(315), 제 1외부코일(311) 및 제 1내부코일(313)을 포함하며 채널(390)내부에서의 플라즈마의 생성에 관계한다.
초기방전부(310)는 플라즈마의 생성을 위하여 가속부(330) 및 노즐부(350)에서 사용되는 전원의 주파수보다 높은 주파수를 사용한다. 초기방전부(310)는 위상정합방법(Phase Matching Method)이나 구동주파수 변조방법(Driving Frequency Modulation Method)을 사용할 수 있다.
다만, 가속부(330)가 위상정합방법을 사용하는 경우에는, 초기방전부(310)에서 형성하여 가속부(330)로 들어가는 플라즈마의 속도가 작으면, 위상차이가 너무 커서 위상정합방법을 이용하기가 매우 어렵다. 따라서 초기방전부(310)는 플라즈마 를 생성함과 동시에 초기에 가속을 시켜야 한다. 가속을 위하여는 구동 주파수가 낮을 수록 유리하나, 낮은 구동 주파수에서는, 코일에서 플라즈마로 에너지 전달이 잘 이루어지지 않아 플라즈마의 생성효율이 떨어진다. 따라서 플라즈마의 생성과 초기 가속을 위한 구동 주파수의 선택이 무엇보다 중요하다. 이에 대하여 아래에서 다시 설명한다.
가속부(330)는 제 2외부코일(331) 및 제 2내부코일(333)을 포함하며 채널(390)내부에 생성되어 출구쪽으로 움직이는 플라즈마를 가속시킨다. 가속부(330)는 자기장변조방법에 의하여 자장 기울기를 형성하거나, 위상정합방법 및 구동주파수 변조방법에 의하여 자장펄스를 출구방향으로 순차적으로 형성함으로써 생성된 플라즈마를 출구방향으로 가속시킨다.
노즐부(350)는 제 3외부코일(351) 및 제 3내부코일(353)을 포함하며 채널(390)의 출구에 축방향으로의 자장을 형성하여 플라즈마를 압축함으로써, 노즐부(350)를 통과한 플라즈마가 전자기유도 가속장치(300)를 빠져 나갈때 균일하게 퍼져나갈 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예는 초기방전부(310)와 가속부(330)가 모두 위상정합방법을 사용한다면, 초기방전부(310)와 가속부(330)를 구분하지 않고 합쳐 사용할 수 있으며, 이때는 하나의 구동 주파수를 가진 전원을 사용하여 전자기유도 가속장치의 제어회로(미도시)를 간단히 할 수 있다.
이하에서는 초기방전부(310) 및 가속부(330)의 구동주파수에 대하여 설명한다.
플라즈마의 가속은 '로렌쯔(Lorentz)의 힘'에 의하여 이루어지며, 높은 이온 에너지를 얻기 위하여 가능한 한 높은 이온 에너지가 필요하다. 그리고 실험적으로나 이론적으로 로렌쯔의 힘은 저주파수와 낮은 자장압력에서 탁월하다.
그러나 낮은 주파수는 플라즈마의 생성에서는 효율이 떨어진다. 이것은 낮은 에너지 전달효율을 의미한다. 따라서 가속부(330)가 위상정합방법을 사용하는 경우라면, 초기방전부(310)는 플라즈마의 생성과 초기 가속 모두를 고려한 구동주파수를 선택해야 한다.
초기방전부(310) 및 가속부(330)를 위한 적절한 구동 주파수의 선택을 다음의 도 4a 내지 도 4d를 통해 설명한다.
도 4a 내지 도 4d의 그래프는, 구동 주파수에 따른 플라즈마의 생성효율 및 가속효율을 측정하기 위하여 본 발명의 전자기유도 가속장치(300)와 달리 외부실린더 하나만을 사용하고, 하나의 코일을 세번 감아 측정한 것이다. 채널 내부의 작업압력이 각각 1, 10 및 100 mTorr인 경우에, 중심축으로부터 반경 4cm, 채널의 최상부에서 1cm 거리에 있는 위치에서 측정된 값을 기초로 한다.
이러한 실험결과는 플라즈마의 생성 및 가속효율과 구동주파수와의 일반적인 관계를 보여준다. 따라서, 본 발명의 전자기유도 가속장치(300)는 도 4a 내지 도 4d를 통해 설명될 결과를 기초로 구동주파수를 결정하여 적용한다. 이것은, 구동주파수에 따라 플라즈마가 생성되고 가속되는 메카니즘은 도 4a 내지 도 4d의 실험과 본 발명의 전자기유도 가속장치(300)에서 동일성의 범주에 속하기 때문이다.
도 4a는 구동 주파수에 따른 플라즈마의 가속효율을 도시한 그래프이다.
도 4a의 그래프에서 가로축은 구동 주파수를 로그(log)스케일로 나타낸 것이며 세로축은 로렌쯔의 힘에 대한 전기장의 세기의 비로 나타낸 가속효율이다.
도 4a를 참조하면, 플라즈마의 가속효율은 구동 주파수 및 작업압력이 낮을수록 좋은 것을 알 수 있다. 따라서 도 3의 가속부(330)의 경우 채널(390) 내부의 압력은 1 mTorr이하이며, 주파수는 0.5 ㎒이하인 것이 바람직하다.
도 4b는 구동 주파수에 따른 플라즈마의 생성효율을 도시한 그래프이다.
도 4b의 그래프에서, 가로축은 채널(390)내의 압력을 mTorr 단위로 나타낸 것이고, 세로축은 에너지 전달효율(η)을 백분율로 나타낸 것으로, 도 4a와 동일한 환경에서 측정된 것이다. 도 4b의 각 그래프는 구동주파수별로 측정된 것으로, 해당 구동주파수를 그래프의 우측에 보기를 두었다. 보기에 의하면, f0.5는 구동주파수가 0.5㎒ 인것을 나타내며, f1은 구동주파수가 1㎒인것을 나타낸다.
도 4b를 참조하면, 플라즈마의 생성효율은 주파수가 높을수록 좋은 것을 알 수 있다. 따라서 최적의 플라즈마 생성효율을 위해서 도 3의 초기방전부(310)는 10 mTorr의 압력에 13.56 ㎒이상의 주파수를 사용하는 것이 바람직하다.
그러므로 플라즈마 생성효율과 플라즈마의 가속효율의 곱으로 나타나는 전체 전자기유도 가속장치의 효율은, 다음 도 4c와 같다.
도 4c는 구동 주파수에 따른 전자기유도 가속장치의 효율을 도시한 그래프이다.
도 4c의 그래프의 가로축은 구동 주파수를 로그 스케일로 나타낸 것이며, 세로축은 도 4a 및 도 4b의 결과를 곱하여 얻은 전자기유도 가속장치의 효율을 나타 낸다. 그래프에서 p1은 채널내의 압력이 1 mTorr임을 나타내고, p10은 채널내의 압력이 10 mTorr임을 나타낸다.
도 4c를 참조하면, 구동 주파수가 약 1㎒일때 전자기유도 가속장치는 가장 좋은 성능을 나타낸다. 다만, 1㎒의 구동 주파수를 사용할 경우, 전자기유도 가속장치의 구동전류의 세기가 다음의 도 4d와 같이 너무 커지게 되어 제품의 설계 등을 고려할 때 적절하지 못한 값이 될 수 있다.
도 4d는 구동 주파수에 따른 구동 전류의 크기를 도시한 그래프이다.
도 4d의 그래프는 도 4a 및 도 4b의 결과를 구한 환경에서 측정된 것으로, 채널내부에 800 Watts의 전력을 공급하기 위한 구동전류의 크기를 측정한 것이다. 가로축은 구동 주파수를 로그 스케일로 나타낸 것이며 세로축은 각 구동 주파수별 구동 전류의 크기를 암페어(A) 단위로 나타낸다. 그래프에서 p1은 채널내의 압력이 1 mTorr임을 나타내고, p10은 채널내의 압력이 10 mTorr임을 나타낸다.
전자기유도 가속장치의 코일을 흐르는 전류는 구동 주파수에 따라 코일의 임피던스가 달라짐에 따라 구동전류의 세기가 달라진다. 도 4d를 참조하면, 구동 주파수가 1㎒이하일 때의 구동전류는 100 A이상이 됨을 보인다.
전자기유도 가속장치의 설계에 있어 대략 100 A 이상의 구동전류는 적절하지 못하다. 그렇게 큰 전류를 공급하기 위한 전원장치(미도시)가 비례적으로 커지게 된다.
따라서 도 4c의 전자기유도 가속장치(300)의 구동 주파수별 전체효율을 도 4d의 주파수별 구동전류로 나눔으로써 최적의 구동주파수를 구할 수 있다. 나눈 결 과는, 채널(390)내부 압력 3mTorr 하에서 2㎒의 구동주파수가 전자기유도 가속장치의 효율 극대화를 위한 최적의 주파수 임을 알 수 있다.
따라서, 가속부(330)의 경우 상기 도 4a에 불구하고, 3mTorr의 채널(390)압력하에서 구동 주파수를 대략 2㎒로 하는 것이 바람직하다.
나아가 하나의 구동 주파수로 구동하는 위상정합방법을 사용하는 경우에, 초기방전부(310)는 3mTorr의 채널(390)압력하에서 대략 2㎒의 구동주파수로 구동하는 것 플라즈마의 생성과 초기 가속에 바람직하다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치의 동작을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치를 간략히 도시한 단면도이다.
도 5에서 도 3과 동일한 참조번호를 사용하는 것은 도 3에 도시된 것과 동일한 것으로 본다.
도 5에서, 코일은 원으로 표시하고, 코일을 통해 흐르는 전류의 방향을 표시하기 위하여 원의 내부에 점(⊙) 또는 x표(ⓧ)를 표시하였다. 점을 표시한 것은 지면으로부터 전류가 흘러나옴을 표시하고, x표를 한 것은 지면으로 전류가 흘러들어감을 표시한다. 도 5의 실시예에 의하면, 각 코일의 전류는 외부 및 내부실린더(371,373)의 중심축을 중심으로 채널상부에서 출구방향으로 관찰할 때, 시계방향으로 흐르는 것을 보여준다. 다만 각 코일을 흐르는 전류는 소정의 주파수를 가진 교류전류이므로 주기적으로 전류의 방향이 바뀔 것이다.
초기방전부(310)는 먼저 플라즈마를 생성한다.
방전코일(315), 제 1외부코일(311) 및 제 1내부코일(313)을 따라 전류가 흐르면, 암페어 법칙에 의해 방전코일(315), 제 1외부코일(311) 및 제 1내부코일(313)의 주위에 자기장이 형성된다. 방전코일(315), 제 1외부코일(311) 및 제 1내부코일(313)에 의하여 채널(390)내부에 생성되는 자기장은 서로 다른 코일에 의한 자기장에 의하여 상쇄되기도 하고 강화되기도 한다. 즉 축방향으로 생성되는 자기장은 서로 반대방향으로 형성되기 때문에 상세되어 감소되고, 채널을 가로지르는 방향으로 생성된 자기장(Br)이 크게 형성된다.
채널(390)내부에 유도된 자기장(Br)은 맥스웰방정식에 따라 2차전류(J)를 유도한다. 따라서, 도 5에 의하면, 채널을 가로지르는 방향으로 생성된 자기장(Br)에 의해 제 1외부 및 내부코일(311,313)에 흐르는 전류와 반대 방향으로 2차전류(J)가 유도됨을 볼 수 있다.
2차전류(J)에 의해 형성된 전기장은 채널(390)내부에 존재하거나 외부로부터 채널(390)로 유입되는 가스를 플라즈마 상태로 변환한다. 그것은, 전기장에 의한 전자의 에너지가 채널(390)내부의 가스의 이온화에너지보다 큰 경우에 전자충돌이 발생하기 때문이다. 이러한 충돌에 의해 입자들이 이온하하여 플라즈마를 형성한다.
또한 다음의 수학식 1에 따라, 상기 유도된 2차전류(J)와 채널(390)을 가로지르는 자기장(Br)에 의하여 채널상부에서 출구방향으로 플라즈마를 가속시키는 전자기력(F)이 발생한다.
Figure 112005032294177-pat00002
플라즈마는 원거리에 작용하는 쿨롱의 힘에 의해 전체적으로 움직이는 특성이 있으며, 전자기력(F)에 의해 출구방향으로 움직인다. 즉, 채널 상부의 자기장 압력이 높고 출구쪽의 자기장 압력이 낮아 플라즈마는 채널 상부에서 출구방향으로 움직인다.
가속부(330)는 초기방전부(310)에서 생성된 플라즈마를 출구쪽으로 가속시킨다. 가속부(330)가 플라즈마를 출구방향으로 가속하는 방법은 초기방전부(310)에서와 동일하다. 다만, 초기방전부(310)와 달리 플라즈마의 가속에 더욱 유리하도록 조정된다.
제 2외부 및 내부코일(313,333)에 의해 채널(390)을 가로지르는 제 2자기장을 형성하고 이러한 제 2자기장에 의해 2차 전류를 형성하여 플라즈마를 출구방향으로 가속한다.
가속을 위하여, 제 2외부 및 내부코일(313,333)에 동일한 주파수의 전류를 순차적으로 인가하여 순차적인 제 2자기장 기울기를 형성하되, 제 2자기장 기울기의 위상을 조정하여 채널(390)내에 자장 펄스를 만들거나, 제 2외부 및 내부코일(313,333)에 각기 다른 주파수를 주되 출구방향으로 점점 낮은 주파수의 전류를 인가함으로써 자장펄스를 만들 수 있다. 또는 제 2외부 및 내부코일(313,333)에 출구쪽으로 갈수록 전류의 세기를 약하게 함으로써 자장압력의 기울기를 형성하여 플라 즈마를 가속할 수 있다.
노즐부(350)는 제 3외부코일(351)과 제 3내부코일(353)에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하여 채널(390)내부에 축방향의 자기장(Bz)이 강하게 생기게 한다. 노즐부(350)가 생성하는 자기장(Bz)은 초기방전부(310)나 가속부(330)가 생성하는 자기장(Br)과 달리 축방향으로 상쇄되지 아니하고 강화된다. 이렇게 축방향으로 생긴 자기장(Bz)은 가속부(330)를 통과한 플라즈마를 압축시킨다. 가속되어 진행하던 플라즈마가 노즐부(350)에서 압축되면서 다시 원상으로 팽창할려는 힘이 강해진다. 따라서 노즐부(350)를 통과하면서 압축되었던 플라즈마는 전자기유도 가속장치(300)의 출구를 벗어나면서 넓게 퍼지며 균일하게 방출된다.
따라서 본 발명의 전자기유도 가속장치를 사용한 건식 에칭장치는 식각하고자 하는 전체 웨이퍼에 플라즈마를 균일하고 고르게 충돌시킬 수 있다. 이것은 적어도 하나의 웨이퍼를 동시에 식각하고자 하는 경우에 더욱 효과적이다.
상기에 설명한 바에 따라, 노즐부를 포함하는 전자기유도 가속장치는 플라즈마를 생성하고 가속할 수 있다.
도 6은 초기 이온의 z축 방향 에너지(Wi0)가 40eV이고, 가속기의 코일 간의 거리(d)가 1.5cm 인 조건하에서, 이온의 속도가 최대인 주파수를 찾는 시뮬레이션 결과를 3차원으로 나타낸 모식도이다. '유한 차분법(FDM: Fnite Difference Method)'과 '파티클 시뮬레이션' 란 시뮬레이션 방법을 사용하였다. 이는 수치 해석분야에서 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6을 용이하게 해석하기 위해 아래에 표 1로 다시 표현하였다.
j＼N 4 6 8 10 12 14
30A 1.95 1.40 0.9 0.68 0.63 0.54
50A 2.07 1.41 1.14 1.00 0.89 0.81
70A 2.50 1.47 1.27 1.19 1.04 0.94
90A 2.90 1.17 1.47 1.50 1.24 1.16
가로축 N은 코일의 수, 세로축 j는 전류의 크기를 나타낸다. 표 1안의 주파수 값의 단위는 105 Hz이다.
표 1에 의하면 90A의 높은 전류일 때도 코일의 수가 10일 때, 최적 주파수가 0.15MHz가 되어야 이온 속도가 최대가 된다. 플라즈마는 전자와 양전하를 띤 이온으로 되어있으므로 이온 속도는 플라즈마의 속도로 볼 수 있다. 앞에서(도 4c, 도 4d) 구한 바에 의하면 2MHz일 때 플라즈마의 생성 및 가속 능력이 가장 좋다. 그러나, 2MHz에서 자기장(B)의 위상 속도는 플라즈마의 속도보다 크기 때문에 플라즈마가 코일을 지나가기 전에 자기장이 인가되어 플라즈마의 가속을 방해한다. 이를 해결하기 위해서 코일 간의 간격을 줄여야 하는데 반도체 공정에 사용되는 관계로 이 간격을 줄이는데 한계가 있어 2MHz를 사용할 수 없다.
이온 입자의 속도를 전산을 이용하여 예측하기 위해 운동방정식, 맥스웰 방정식을 사용하였다. 주어진 구동 주파수,코일 사이의 간격, 코일의 전류를 가정하고 '유한 차분법(FDM: Fnite Difference Method)'과 '파티클 시뮬레이션' 란 시뮬레이션 방법을 사용하여 위의 방정식의 해를 구한 다음 이 중에서 가장 적합한 구동조건을 구하면 표 2,3과 같다.
표 2는 이온의 출구 에너지 500eV를 얻기위한 조건을 나타낸다.
가스 밀도 2 E13 cm-3
ICP 전류 70 A
ICP 주파수 2 MHz
TWP 코일의 수 14
TWP 전류 90 A
TWP 주파수 0.116 MHz
표 3은 이온의 출구 에너지 100eV를 얻기위한 조건을 나타낸다.
가스 밀도 2 E13 cm-3
ICP 전류 70 A
ICP 주파수 2 MHz
TWP 코일의 수 8
TWP 전류 50 A
TWP 주파수 0.114 MHz
표 2,3에서 가스밀도는 가속기 내부의 가스 밀도를 나타낸다. ICP(Inductively Coupled Plasma Source) 전류는 초기 방전부(310)의 전류를 나타내며, ICP 주파수는 ICP 전류의 주파수를 나타낸다. TWP(Traveling Wave Plasma Engine) 전류는 가속부(330)의 전류를 나타내며, TWP 주파수는 TWP 전류의 주파수를 나타낸다.
도 7a는 코일 수에 따른 최적 주파수를 나타낸 그래프이고, 도 7b은 코일 순서에 따른 이온 속도를 나타낸 그래프이다. 여기서 이온에 대한 마찰력은 없는 것으로 가정하고, 초기 이온의 z축 방향 에너지(Wi0)가 10eV인 것으로 가정하였다.
도 7a에 도시된 바와같이, 각 코일 수에서 이온의 속도가 최대인 것을 만족하는 최적 주파수를 '유한 차분법(FDM: Fnite Difference Method)'과 '파티클 시뮬레이션'이란 시뮬레이션 방법으로 구했다. 도 7b에서는 도 7a에서 구한 최적 주파수에 해당하는 이온의 속도를 구했다. 도 7a 및 도 7b에서 구한 최적 주파수(f) 및 이온 속도(Vz)는 아래 수학식 2를 만족함을 알 수 있다.
Figure 112005032294177-pat00003
여기서, f는 최적 주파수, Vz 는 이온 속도, N은 코일의 수, d는 코일 간의 간격을 표시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기유도 가속장치에 인가되는 전류의 파형도이다. 가로축은 시간(t)이고, 세로축은 전류의 진폭(I)을 나타낸다. A는 초기 방전부(310)에 인가되는 플라즈마 생성 펄스를 나타내고, B는 가속부(330)에 인가되는 플라즈마 가속 펄스를 나타낸다. 표 2에 의하면 A의 주파수는 2 MHz 이고, B의 주파수는 0.116 MHz이다. 주파수 2 MHz와 주파수 0.116 MHz를 주파수 합성기로 합성하면 도 8과 같은 파형을 생성할 수 있다. A의 주파수는 2 MHz 이고, B의 주파수는 수학식 2를 만족하는 주파수이다. 그 합성파를 본 발명의 전자기유도 가속장치에 인가하면, 초기 방전부(310)와 가속부(330)에 각각 다른 주파수를 인가할 필요없이, 하나의 합성파로 가속장치의 플라즈마의 생성효율 및 가속효율을 높일 수있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 노즐부(350)를 포함하지 않는 전자기유도 가속장치에도 하나의 합성파로 이루어진 전류를 인가하면 용이하게 가속장 치의 플라즈마의 생성효율 및 가속효율을 높일 수있다. 표3의 경우도 마찬가지이므로 그 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 플라즈마(plasma)의 생성효율 및 플라즈마의 가속효율을 극대화 한 전자기유도 가속장치를 구현할 수 있다.
또한 하나의 구동 주파수를 사용하여 전자기유도 가속장치를 구동하더라도, 플라즈마의 생성효율을 해치지 않으면서 가속효율을 극대화할 수 있다.
나아가 플라즈마가 전자기유도 가속장치로부터 방출될 때, 방출되는 면적에 고르고 균일하게 퍼지도록 함으로써 플라즈마 방출의 균일도(uniformity)를 높일 수 있다. 이에 따라, 적어도 하나의 웨이퍼(wafer)를 동시에 식각하고자 하는 에칭(etching)장치에 있어, 그 웨이퍼의 위치에 불구하고 일정하고 고른 식각이 가능하게 된다.
플라즈마를 생성하기 위한 주파수와 플라즈마를 가속하기 위한 주파를 합성한 합성파를 전류로 인가하여 용이하게 플라즈마 생성 및 가속효율을 극대화할 수있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (20)

  1. 동축상에 서로 다른 직경을 가지는 외부 및 내부실린더(cylinder);
    상기 외부 및 내부실린더 사이에 형성되는 채널에 상기 축방향과 교차하는 방향의 자기장을 생성함으로써, 상기 채널상에 플라즈마를 형성하는 초기방전부;
    상기 외부 및 내부실린더상에 형성되어, 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속시키는 가속부; 및
    상기 축방향으로 자기장을 형성함으로써 상기 가속부로부터의 플라즈마를 압축하였다가 균일하게 방출시키는 노즐(nozzle)부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초기방전부는,
    상기 외부 및 내부실린더의 상기 플라즈마가 가속되는 반대측에 연결되어, 상기 채널의 일측을 폐쇄하는 접속부;
    상기 접속부의 상측면을 따라 직경이 감소되도록 감겨있는 방전코일; 및
    상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 나란하게 감아 상기 자기장을 형성하는 적어도 하나의 제 1외부 및 내부코일;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가속부는,
    상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 나란하게 감아 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속하는 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 초기방전부는,
    상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 나란하게 감아 상기 자기장을 형성하는 적어도 하나의 제 1외부 및 내부코일;을 더 포함하고,
    상기 가속부는, 상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 상기 제 1외부 및 내부코일과 나란하게 형성되어 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속하는 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 초기방전부는,
    상기 외부 및 내부실린더의 상기 플라즈마가 가속되는 반대측에 연결되어, 상기 채널의 일측을 폐쇄하는 접속부; 및
    상기 접속부의 상측면을 따라 직경이 감소되도록 감겨있는 적어도 하나의 방 전코일;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 가속부는, 상기 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일 각각에 구동 주파수를 순차적으로 인가하여 상기 채널에 상기 축방향과 교차하는 방향의 제 2자기장의 기울기를 순차적으로 형성함으로써 상기 플라즈마를 가속시키는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1외부 및 내부코일의 구동 주파수인 제1구동 주파수는, 상기 적어도 하나의 제 2외부 및 내부코일의 구동 주파수인 제2구동 주파수와 다른 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1구동 주파수는, 상기 제2구동 주파수보다 높은 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1구동 주파수는, 상기 제1구동 주파수에 따른 상기 플라즈마의 생성효율 및 가속효율의 곱이 최대인 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1구동 주파수는, 0.5 ㎒ 내지 5 ㎒사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1구동 주파수는, 상기 제1구동 주파수에 따른 상기 플라즈마의 생성효율 및 가속효율을 곱한 다음 상기 제1구동 주파수에 따른 구동전류의 크기를 나눈 값이 최대인 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1구동 주파수가 2㎒인 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부는,
    상기 내부실린더의 내측면과 상기 외부실린더의 외측면을 따라 상기 제 2외부 및 내부코일과 나란하게 형성되어 상기 축방향의 자기장을 형성하는 적어도 하나의 제 3외부 및 내부코일;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 3외부 및 내부코일은 서로 반대방향으로 흐르는 전류에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  15. 제 1항의 전자기유도 가속장치를 사용하여 건식으로 반도체 칩 제작용 웨이퍼(wafer)를 식각하는 중성 빔(beam) 건식 에칭(etching)장치.
  16. 동축상에 서로 다른 직경을 가지는 외부 및 내부실린더(cylinder);
    상기 외부 및 내부실린더 사이에 형성되는 채널에 상기 축방향과 교차하는 방향의 자기장을 생성함으로써, 상기 채널상에 플라즈마를 형성하는 초기방전부; 및
    상기 외부 및 내부실린더상에 형성되어, 상기 플라즈마를 상기 축방향으로 가속시키는 가속부;를 포함하며,
    상기 초기방전부에 인가하는 전류의 주파수와 상기 가속부에 인가하는 전류의 주파수를 합성한 합성파를 상기 초기방전부 및 가속부에 각각 인가하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 축방향으로 자기장을 형성함으로써 상기 가속부로부터의 플라즈마를 압축하였다가 균일하게 방출시키는 노즐(nozzle)부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 전자기유도 가속장치.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 가속부에 인가하는 전류의 주파수는 아래 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치:
    Figure 112005032294177-pat00004
    여기서, f는 가속부에 인가하는 전류의 주파수, Vz는 플라즈마의 이온 속도, N은 코일의 수, d는 코일 간의 간격.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 초기방전부에 인가하는 전류의 주파수는 0.5 ㎒ 내지 5 ㎒사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 초기방전부에 인가하는 전류의 주파수는 2 MHz 인 것을 특징으로 하는 전자기유도 가속장치.
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